1 試驗情況

　　試驗采用風化程度不同的兩種板巖碎石土(A、B料)，A料風化弱，顆粒粗硬且棱角尖；B料礦物較軟且風化強。加筋材料為重慶慶蘭塑料制品有限公司生產的SDL25型單軸土工格柵，各種材料基本特性見表1、表2.

 

 

 

 

表1 碎石土基本特性指標

材料	混合比重	礫石吸水率	干密度/(g/cm3)	相對密度	振后顆粒 破碎度(%)	<5mm含量(%)	顆粒大 粒徑/mm
A	2.71	2.6	1.93	0.90	6.6	13	60
B	2.84	4.3	1.98	0.90	12.4	13	60

表2 加筋材料基本特性指標材料

		延伸率(%)		抗拉強度/(kN/根)
		格棒方向	柵肋方向	格棒方向	柵肋方向
土工格柵	峰值	6.51	8.47	1.23	0.77
	破壞值	7.26	9.06	1.18	0.74

　　本文對A、B兩種碎石土分別進行了加3層筋與不加筋的高壓大型常規三軸固結排水試驗，剪切速率1mm/min，試樣尺寸30.2cm×65.5cm，試驗大圍壓σ₃＝800kPa；分3層均勻平鋪于試樣上，且3層格柵縱橫格肋在水平向保持同向，試樣布筋情況如圖1所示。

2 加筋對碎石土強度特性的影響

　　研究表明：加筋后的破壞應力差比不加筋時明顯增大，A料比B料增加更為明顯。其增長的程度可用規一化破壞主應力差來衡量(指破壞主應力差除以圍壓)，如圖2所示，表明隨著圍壓的增大，破壞主應力差增長的程度逐漸減小，A料比B料減小快，且加筋與不加筋情況下的曲線逐漸接近，說明加筋效果隨圍壓的增大而逐漸減小。

圖1 加筋碎石土三軸試件布筋位置	圖2 加筋與不加筋碎石土歸一化破壞應力差與圍壓關系

3 加筋對應變特性的影響

3.1 加筋對碎石土的破壞有延滯作用 圖3給出了不同圍壓下A料加筋前后的應力-應變-體變與圍壓關系，表明不管加筋與否，隨著圍壓的增大，破壞軸應變ε_1f逐漸增大，加筋后的破壞軸應變比不加筋時明顯增大，說明加筋對土的破壞有延緩作用，且A料的延滯作用大于B料；而加筋后的破壞體應變ε_vf相差很小，說明加筋對破壞軸應變的影響明顯大于對體應變的影響。由于B料比A料風化強，在外力作用下易碎，故B料比A料的破壞軸應變和體應變都大。規一化結果表明(見圖4)：隨著圍壓的增大，破壞軸應變的增長程度逐漸減小，且加筋與不加筋情況下的曲線逐漸接近，說明加筋對土的破壞延滯作用隨圍壓的增大而減弱，規一化體應變基本重合在一起，說明體應變增長程度受圍壓影響很小。

圖3 A碎石料加筋前后應力應變體變關系	圖4 規一化破壞軸應變、體應變與圍壓的關系)

3.2 加筋提高了碎石土的剛度 試驗結果表明：在相同的圍壓下，加筋后達到與不加筋相同破壞應力差時所需的軸應變ε_１和側應變ε_３都明顯減小，A料更明顯，說明加筋的作用提高了試樣的強度和剛度。達相同破壞應力差時的軸應變和側應變也隨著圍壓的增大而逐漸增大，增大的程度隨圍壓的增加而逐漸減小，說明加筋抑制試樣變形的能力隨圍壓的增大而逐漸減弱，見圖5、6.

圖5 達到與不加筋碎石土相同破壞應力差時 的歸一化軸應變與圍壓關系	圖6 達到與不加筋碎石土相同破壞應力差時 的歸一化側應變與圍壓關系

4 加筋機理探討

　　試驗結果表明：加筋可以提高碎石土的強度，減小其變形，其加筋機理可以用等效圍壓的概念來解釋。將加筋土中筋材的作用當成一個附加的圍壓，分析加筋土的破壞是由Yang^[４]先提出來的，Donald^{[５、6]}等人用等效圍壓的概念較好地分析了三軸試驗中加筋砂土的破壞。所謂等效圍壓，是指試樣在三軸壓縮剪切試驗過程中，加筋土樣與不加筋土樣在相同的圍壓作用下，加筋土樣的應力-應變曲線比不加筋土樣高，破壞主應力差大，加筋土樣抗剪強度增大的效果相當于提高了作用于試樣的圍壓，即不加筋碎石土在圍壓σ₃+Δσ₃的作用下的抗剪強度等效于加筋碎石土在圍壓σ₃作用下的抗剪強度。提高的圍壓就稱為等效圍壓Δσ₃，由等效圍壓引起的主應力差增量為Δ(σ₁－σ₃)，等效圍壓與主應力差增量二者統稱為等效應力。等效圍壓被認為是均勻分布于試樣的表面，可表示為

Δσ３＝σ３Δ（σ1－σ3）f/(σ1－σ3)f不

(1)

式中：Δσ₃為等效圍壓；σ₃為試樣圍壓；(σ₁－σ₃)_f不為不加筋碎石土樣的破壞應力差；Δ(σ₁－σ₃)_f為加筋碎石土樣與不加筋碎石土樣破壞主應力差之差。

根據試驗結果，可以算出加筋碎石土樣在不同圍壓下對應的等效圍壓及主應力差增量的大小，表明：等效主應力差和等效圍壓都隨圍壓增大而逐漸增大，尤以等效主應力差顯著，且A料比B料增加快。規一化結果表明：隨圍壓增大，主應力差增量和等效圍壓增大的程度都逐漸減小，A料比B料減小快，見圖7. 5 碎石土加筋效果綜合評價 為進一步定量比較和評價2種碎石土的加筋效果，現引入3個評價加筋效果的系數Ｒσ、Ｒε、ＲΔσ，并定義為： 　　強度加筋效果系數：

圖7 歸一化等效圍壓、主應力差增量與圍壓關系

 

Rσ＝(σ1－σ3)Ｒf(σ1－σ3)f

(2)

　　等效強度加筋效果系數：

RΔσ＝Δ(σ1－σ3)f

(3)

　　變形加筋效果系數：

Rε＝εR(εＲ１，εＲ３)/εf(ε1f,ε3f)

(4)

式中：(σ₁－σ₃)^Ｒ_f為加筋碎石土的破壞主應力差；(σ₁－σ₃)_f為不加筋碎石土的破壞主應力差；(σ₁－σ₃)_f為不加筋碎石土的破壞主應力差；Δ(σ1-σ₃)_f為等效主應力差；ε^R(ε^Ｒ_１，ε^Ｒ₃)為加筋碎石土達到與不加筋碎石土相同破壞應力差水平時所需要的軸向應變和側向應變；ε_f(ε_１f,ε_3f)為不加筋碎石土破壞時的軸向應變和側向應變。

　　圖8為強度加筋效果系數與圍壓的關系，可見用破壞主應力差表示的加筋效果系數Ｒ_σ與用主應力差增量表示的加筋效果系數Ｒ_Δσ與圍壓間具有較好的線性關系，見表3.從中可看出：不同圍壓下，A，B兩組碎石土的強度加筋效果系數Ｒ_σ均大于1，等效強度加筋效果系數均大于0，說明由于加筋作用，碎石土的抗剪強度均有明顯提高，相比之下，A料強度提高程度大于B料，但兩者都隨圍壓增加，強度加筋效果逐漸減小。

　　圖9為變形加筋效果系數與圍壓的關系，可見軸向與側向變形加筋效果系數R_ε與圍壓的關系亦具有較好的線性關系。見表3.從成果可看出：A，B兩組碎石土的軸向變形和側向變形加筋效果系數Ｒ_ε均小于1，說明由于加筋的作用，增強了試樣的剛度，抑制了試樣的變形；從圖中還可看出，A料變形加筋效果明顯優于B料，且隨圍壓的增加，兩種料的變形加筋效果均有所降低，這與強度加筋效果隨圍壓的變化相一致。

圖8 強度加筋效果系數與圍壓的關系	圖9 變形加筋效果系數與圍壓的關系

表3 加筋碎石土強度加筋系數、變形加筋系數與圍壓關系擬合方程及擬合參數

參數類型	強度加筋效果系數			等效強度加筋效果系數			水平軸應變加筋效果系數			水平側應變加筋效果系數
擬合方程	Rσ＝m1＋n1(σ3/Pa)			RΔσ＝m2＋n2(σ３/Pa)			Rε１＝m3＋n3(σ３/Pa)			Rε３＝m4＋n4(σ３/Pa)
擬合參數	m	n	R	m	n	R	m	n	R	m	n	R
A料	925	0002	977	0.913	-0.0002	980	340	0001	000	261	7×10-5	994
B料	206	0001	998	0.205	-0.0001	998	521	0001	987	392	0.0001	995

6 結論

　　(1)在三軸剪切應力狀態(σ_３＝c)下，加筋能明顯提高碎石土強度和破壞軸應變，對土的破壞有延滯作用，但對破壞體應變的影響較?。?2)加筋提高了碎石土的剛度，加筋后達到與不加筋相同破壞應力差時的水平軸應變和側應變比不加筋時明顯減小，尤為對側應變的影響更為明顯；(3)碎石土本身材料性質對加筋效果有較大影響，在本次試驗中，由于A料巖塊風化弱，質硬，強度高，故加筋效果明顯優于B料；(4)加筋碎石土的強度加筋效果和變形加筋效果系數都隨圍壓呈較好的變化規律，并隨圍壓的增加而降低；(5)碎石土加筋的效果相當于提高了試樣的圍壓，其加筋機理可用等效圍壓的概念來解釋。